计算机组成原理完整学习笔记（一）：计算机系统概论

第一章 计算机系统概论

1.1 课程导学

1.1.1 为什么要学习计组？

核心专业基础课，在课程体系中承上启下的作用。

课程主要内容：介绍运算器、控制器、存储器的结构、工作原理、设计方法及互连构成整机的有关技术。（设计方法是课程关键）

1.1.2 如何才能学好计组？

1. 构造观 —— 掌握设计方法（基本编码/解码器、运算器、控制器、存储器，简单计算机系统）

2. 系统观 —— 各部分之间的相互影响，牵一发而动全身

3. 工程观 —— 系统实现视角（成本、节能、可靠）

1.1.3 全书知识点概括

1.1.4 本章知识点概括

1.1.4 书本推荐

《深入理解计算机系统》—— 大学毕业前一定要认真读一遍

1.2 冯·诺伊曼计算机结构

1.2.1 冯·诺伊曼

1945年，冯·诺伊曼发表了《关于EDVAC的报告草案》，提出了 “离散变量自动电子计算机方案（EDVAC）”，即冯·诺伊曼结构。并因此结构被称为 “计算机之父”，该结构也沿用至今。

1.2.2 冯·诺伊曼计算机的工作原理

两个主要部分，分别是存储程序和程序控制。

存储程序

将程序存放在计算机存储器中，只有放入存储器中的程序才能被执行。

程序控制

按指令地址访问存储器并取出指令，经译码依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算的控制，完成指令的功能。

1.2.3 冯·诺伊曼计算机的硬件结构

硬件结构主要分为三个部分：

1. 主机：CPU（运算器+控制器）、内存
2. 外设：输入设备、输出设备、外存储器
3. 总线：地址线、数据线、控制线

五大器件的功能：

1. 运算器：算术运算与逻辑运算，且能保存运算结果。
2. 控制器：产生指令执行过程所需要的所有控制信号，控制相关功能部件执行相应操作。（电平信号、脉冲信号）
3. 存储器：存储原程序、原数据、运算中间结果。
4. 输入设备：向计算机输入数据（键盘、鼠标、网卡、扫描仪等）
5. 输出设备：输出处理结果（显示器、声卡、网卡、打印机等）

从中也可以看出部分设备既可能是输入设备，也可能是输出设备。

1.2.4 冯·诺伊曼计算机的软件结构

对于软件的理解：

1. 软件本质：可运行的思想（算法）和内容（图像、声音、文字）的数字化
2. 软件的表现形式：程序和数据（以二进制表示的信息）
3. 软件的核心：算法

软件系统的分类：

1. 系统软件（操作系统、网络系统和编译系统等）
2. 支持软件（开发工具、界面工具等）
3. 应用软件（字处理软件、游戏软件等）

软件和硬件的关系：

1. 相互依存：硬件是软件运行基础，软件运行时硬件发挥作用的重要途径。
2. 逻辑等效性：某些功能既可由硬件实现，也可由软件实现。
3. 协同发展：软件随硬件发展而发展，软件的发展也会带来硬件的更新。

1.2.5 冯·诺伊曼计算机层次结构

在层次结构中，指令集架构层为软硬件的分界线，其上为软件，其下为硬件，其自身则为指令操作硬件的入口。

在层次结构中，有两个关键性概念，一个是透明性，一个是系统观。

透明性

• 本来存在的事物或属性，从某个角度去看，却好像不存在。
• 如硬件特性对C语言程序设计者而言具有透明性。

系统观

• 当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响。

1.2.6 冯·诺伊曼计算机的工作过程

1. 控制器的控制下，输入设备输入程序和数据，并放入存储器。
2. 执行程序时，控制器到存储器中取指令，并执行这条指令。
3. 执行过程中如果涉及计算，则会从存储器中读计算所需数据，并将数据送到运算器中进行计算。
4. 计算的结果送回存储器，或者送到输出设备上进行显示或打印。

五大硬件之间的关系

1.2.7 主存储器的构成

主存四级结构

主存储器 - 存储体 - 存储字 - 存储字长

主存工作过程

1. 地址通过地址总线发送到 MAR 中，经过地址译码后，找到地址实际单元。
2. 接下来有读、写两种方式访问地址
   • 读操作：主存数据 - MDR - 数据总线
   • 写操作：数据总线 - MDR - 主存数据
3. 读、写方式由控制总线上 read、write 两条信号线所控制。

1.2.8 运算器的组成

ALU：算术逻辑单元，支持算术运算与逻辑运算
ACC：累加器
MQ：乘商寄存器
X：操作数寄存器

1.2.9 控制器的组成

CU：控制单元，核心部件，功能为根据指令要求发出控制信号
PC：程序计数器（指针），存放指令地址，自动 “+1”
IR：指令寄存器，存放欲执行的指令
ID：指令译码器，分析当前指令的功能

1.2.10 指令执行举例

取数指令

功能：从内存中取得一个数据，并送入CPU累加器中
工作过程：（内存读指令 -> 译码分析 -> 取数）

1. 程序计数器发出取址地址，将地址交给MAR
2. 经过地址译码，找到对应指令位置
3. 把指令取出交给MDR
4. 通过数据总线，把数据从MDR传到IR
5. 把指令操作码部分交给控制单元 ---------- 取指令
6. PC把取数地址给MAR
7. 在存储体中寻址
8. 将数据交给MDR
9. 通过数据总线，MDR把数据给ACC --------- 存数

存数指令

7: 在存储体中找到 MAR 对应的存储单元
8: 将 ACC 中的数据通过数据总线送到 MDR 中
9: 将 MDR 中的数据送到存储体的对应位置中

1.3 计算机系统性能指标

1.3.1 机器字长

概念

CPU一次能处理数据的位数，通常为 CPU 寄存器的长度。

特点

字长越长，数的表示范围越大，精度越高，速度越快，价格越高。

字长可以看成是并行位计算。

1.3.2 存储容量

存储容量分为主存与辅存，其中主存拔电丢失，但辅存不会。

主存容量计算

MAR —— 地址线位数，即寻址范围，存储单元个数

MDR —— 单个存储单元位数，即字长

1.3.3 速度

速度衡量方法

• 「主频」
• 「执行一次加法或乘法所需时间」
  • 计算机发展早期所使用的方法
• 「吉普森法」
  • $T_M=\sum\limits_{i=1}^nf_it_i$TM​=i=1∑n​fi​ti​
  • $T_M:$TM​: 机器的运行速度
  • $n:$n: 该计算机指令系统中指令的总数
  • $f_i:$fi​: 程序在实际执行过程中执行到第 $i$i 条指令的概率
  • $t_i:$ti​: 执行第 $i$i 条指令所需时间
• 「MIPS：每秒执行的百万条指令数」
  • 一般指定点指令的数目
• 「FLOPS：每秒执行的浮点指令数」
• 「CPI：平均每条指令所需时钟周期数」
  • CPI 越小，运行速度越快